De la mano de la asociación Solar Power Europe, que ha hecho un repaso de los últimos avances de la tecnología solar, nos centramos en varios de los logros alcanzados por la electricidad solar a lo largo de los últimos meses. En concreto, por las células PERC, la tecnología TOPCon, la heterounión de las células solares de silicio y la generación en tándem.
Las PERC lo tienen todo
El acrónimo PERC obedece a Passivated Emitter Rear Cell; o, lo que es lo mismo, colocar una capa reflectante (dielectric layer) para aprovechar al máximo la radiación. Esta arquitectura de células se ha convertido en la tecnología de células de vanguardia, gracias, en gran medida, a la considerable bajada de precios de los equipos de producción de PERC como resultado de su fuerte expansión, a escala de varios gigavatios, en China, y a su cada vez mayor eficiencia, que ha ido aumentando a un ritmo superior al 0,5% absoluto por año.
Aunque el ritmo ahora se ha ralentizado, varios fabricantes ya han superado el 23% de eficiencia en la producción comercial de células PERC. De acuerdo con Solar Power Europe, la flexibilidad de esta tecnología para producir con obleas de mayor tamaño ha reforzado aún más su posición. Una ventaja más es su bifacialidad, ya que es muy sencillo convertir la PERC en una célula que produzca energía por ambos lados sin ningún coste adicional.
Otro avance interesante para las PERC es la tecnología de dopaje de galio. Tradicionalmente, los lingotes para obleas monocristalinas están dopados, en su mayoría, de forma positiva (tipo p) con boro, que es la causa principal de que aparezca un mecanismo de degradación: la degradación inducida por la luz (LID). Las obleas dopadas negativamente (tipo n) no sufren este problema. El empleo de galio en lugar de boro libera a las de tipo p de esta desventaja inherente, por lo que ha empezado a utilizarse con más frecuencia.
En la actualidad, las células PERC disponen de una cadena de suministro bien establecida, un alto rendimiento, equipos de producción eficientes y procesos compatibles. Según Solar Power Europe, la tecnología está en su punto álgido en cuanto a la optimización del proceso, proporcionando la mejor relación coste-rendimiento a día de hoy. Sin embargo, superar su eficiencia por encima del 23% en el entorno de la producción industrial parece muy difícil, al menos de momento. Aunque las células PERC han alcanzado eficiencias alrededor del 24%, estas prácticas de producción no son rentables para la producción en masa; al menos no todavía. Pero nada impide que aparezca un nuevo desarrollo que lo permita.
TOPCon, siguiente paso
El siguiente paso en la evolución de la tecnología de células solares tras las PERC será, probablemente, el de las células de contacto pasivado, a menudo denominadas TOPCon. Se trata de una tecnología desarrollada en Asia y en Europa (por el instituto alemán Fraunhofer ISE) en las que se adapta un sofisticado esquema de pasivación a las arquitecturas de las células, con el objetivo de reducir la recombinación en la zona de los contactos eléctricos. La implementación de la tecnología TOPCon sólo requiere unas pocas herramientas de procesamiento adicionales con respecto a la PERC.
En teoría, TOPCon presenta el mayor potencial de eficiencia final de todas las células c-Si, con un 28,75%. De momento, el nuevo máximo mundial de eficiencia con estas células se lo disputan dos compañías chinas: JinkoSolar y LONGi. La primera anunciaba en junio pasado haber logrado un récord de eficiencia para estas células, de tamaño comercial, de un 25,25%. LONGi, por su parte, daba a conocer el 23 de julio haber conseguido con su panel P-Type TOPCon, que encaja células monocristalinas desarrollados en su centro de I+D, una eficiencia del 25,19%. Un logro confirmado mediante los ensayos llevados a cabo en el instituto ISFH de Alemania. Otra compañía pionera en este campo, Jolywood, ha desarrollado recientemente una segunda generación de tecnología TOPCon que ha alcanzado una eficiencia media de las células del 24,09% en sus líneas piloto.
Hasta hace muy poco, la tecnología TOPCon solo tenía, sin embargo, un puñado de seguidores, debido a problemas con ciertos equipos de producción. De acuerdo con la patronal solar europea, ahora no sólo se han desarrollado soluciones y nuevas herramientas para superar esas limitaciones, sino que las máquinas son capaces de procesar obleas más grandes. Gracias a ello, las TOPCon están viviendo un redoblado interés, como se pudo comprobar en la mayor feria solar del mundo, SNEC 2021 (Shangai, 2 al 5 de junio), donde varios de los principales fabricantes de células y módulos del mundo presentaron productos TOPCon.
Heterounión, los paneles de tres capas
La tecnología solar de heterounión (HJT, por sus siglas en inglés) construye el panel solar con tres capas diferentes de material fotovoltaico. La capa media de silicio monocristalino va situada entre dos capas de silicio amorfo de película delgada y hace la mayor parte del trabajo de convertir la luz solar en electricidad. Esta tecnología ha demostrado la mayor eficiencia de las células de silicio cristalino hasta la fecha: tiene el récord global de un 26,3%, basado en una combinación de HJT e IBC (contacto posterior interdigitado). En cuanto a la estructura HJT pura, las eficiencias más altas para tamaños comerciales fueron comunicadas este verano por LONGi y Huasun, ambas con un 25,3%.
En 2020 había unos 50 GW instalados en todo el mundo con esta tecnología y el interés por ella va en aumento, pero las capacidades de producción reales son reducidas, de un solo dígito. Solar Power Europe indica que esta situación podría mejorar tras la decisión del antiguo fabricante suizo de equipos fotovoltaicos Meyer Burger de fabricar también su propia tecnología HJT. En mayo de 2021, inició la producción de células y módulos en Alemania, cada uno de ellos con una capacidad de 400 MW, y ya ha anunciado su expansión a 1,4 GW en 2022 y a 7 GW en 2027.
Esto se produce después de que la compañía suiza vendiera su tecnología a REC, que fue la primera empresa después de Panasonic que comercializó con éxito y en cantidades altas células y módulos HJT (en su fábrica de Singapur), así como a ENEL en Italia y a Ecosolifer en Hungría. Otra empresa europea de HJT pura es la rusa Hevel Solar, que cuenta con una fábrica de células/módulos de 340 MW basada en su propia tecnología, mientras que algunas empresas chinas también están trabajando en la heterounión.
De acuerdo con Solar Power Europe, la heterounión tiene varias ventajas sobre las células solares cristalinas tradicionales, ya que presenta un coeficiente líder de baja temperatura, la mayor bifacialidad de todas las tecnologías de células y muchos menos pasos de producción. En contrapartida, requiere la inversión en una línea completamente nueva por lo que el gasto en capital es considerablemente mayor que en el caso de las PERC. Sin embargo, gracias a que varios proveedores asiáticos se están aventurando en el desarrollo de equipos de deposición para HJT, este gasto ya se ha reducido.
Células solares en tándem
Tal y como avanza la eficiencia de las células PERC y la de las células cristalinas de unión simple en su conjunto, es previsible que ambas tecnologías alcancen pronto sus límites de eficiencia práctica. Teniendo en cuenta que las mejores células comerciales de HJT logran hoy en día un 24,5% de eficiencia, el límite práctico de alrededor del 26% se alcanzará también en pocos años en su caso. En ese momento, la industria deberá tener preparada la tecnología multiunión de próxima generación, en la que se apilan diferentes materiales para aprovechar una mayor parte del espectro luminoso.
Estamos hablando de células solares en tándem, unos dispositivos que funcionan en cascada. Colocadas una sobre la otra, cada una de las células convierte una banda específica de la luz solar en energía eléctrica, evitando así que se desaproveche la energía, pues la restante pasa siempre a la célula siguiente. Hay muchas opciones para elegir los materiales y las combinaciones más adecuados para lograrlo. A día de hoy, uno de los candidatos más prometedores es una estructura de célula en tándem c-Si/perovskita, con la que Oxford PV consiguió el último récord mundial de eficiencia: un 29,52% a finales de 2020, anticipando un potencial de eficiencia práctica de alrededor del 35%. Oxford PV está creando actualmente su primera unidad de fabricación comercial de 125 MW para células en tándem de c-Si/perovskita en Alemania, con el objetivo de realizar las primeras ventas en 2022.
En laboratorio, los investigadores del instituto Fraunhofer ISE han logrado convertir ya el 35,9% de la luz solar en energía eléctrica con una célula solar monolítica de triple unión. Este valor establece un nuevo récord mundial y demuestra el potencial de la energía fotovoltaica en tándem basada en silicio. En la nueva célula, las capas de semiconductores III-V están conectadas directamente a la subcélula de silicio a nivel atómico. Desde el exterior, la célula de registro se asemeja a una célula solar convencional de dos terminales.
Las aplicaciones iniciales para células en tándem III-V/Si de alta eficiencia se encuentran donde la generación de energía por área juega un papel importante; por ejemplo, en aviones y drones eléctricos. Hoy en día, los costes de producción de las nuevas células siguen siendo significativamente más altos que los de las células solares de silicio cristalino de unión simple convencionales, debido a la compleja etapa de epitaxia de las capas III-V y a los muchos procesos de semiconductores adicionales necesarios para fabricar las células. Pero se trabaja para que la producción sea más rentable en el futuro y, por lo tanto, se pueda abordar el mercado fotovoltaico en su totalidad.
La mayor eficiencia jamás alcanzada
El top en eficiencia solar se ha logrado con células fotovoltaicas de capa fina de arseniuro de galio bajo luz láser: nada menos que un 68,9%, y ha sido conseguida este año por investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar ISE.
Los investigadores del centro de Friburgo usaron una tecnología especial de capa fina en la que las capas de células solares se cultivan primero sobre un sustrato de arseniuro de galio que luego se elimina. Además, se aplica un espejo conductor altamente reflectante a la superficie posterior de la estructura semiconductora restante, que tiene solo unas pocas micras de espesor. El grupo investigó con células fotovoltaicas de capa fina con reflectores de superficie posterior hechos de oro y una combinación ópticamente optimizada de cerámica y plata. Esta última es la que mejores resultados ofreció.
“Este enfoque de capa delgada tiene dos ventajas distintas para la eficiencia”, explicaba recientemente Henning Helmers, jefe del equipo de investigación del Fraunhofer ISE. “En primer lugar, los fotones quedan atrapados en la célula y la absorción se maximiza para las energías de fotones cercanas a la banda prohibida, lo que minimiza simultáneamente las pérdidas por termalización y transmisión, haciendo que la célula sea más eficiente. En segundo lugar, los fotones generados internamente por recombinación radiativa quedan atrapados y se reciclan de manera efectiva. Esto prolonga la vida útil efectiva de la portadora y, por lo tanto, aumenta adicionalmente el voltaje”.
En esta nueva forma de transferencia de energía, llamada energía por luz, la energía del láser se envía a través del aire o mediante una fibra óptica a una célula fotovoltaica cuyas propiedades coinciden con la potencia y la longitud de onda de la luz láser monocromática. En comparación con la transmisión de energía convencional a través de cables de cobre, los sistemas de energía por luz son especialmente beneficiosos para aplicaciones que requieren una fuente de alimentación aislada galvánicamente, protección contra rayos o explosiones, compatibilidad electromagnética o transmisión de energía completamente inalámbrica, por ejemplo. Pero su potencial va más allá. Se pueden emplear, por ejemplo, para la revisión estructural de aerogeneradores, la monitorización de líneas de alta tensión, sensores de combustible en tanques de aviones o como una fuente de alimentación inalámbrica para aplicaciones en la internet de las cosas.
Este reportaje se puede leer también en el número de septiembre de Energías Renovables (ER204).
